Компенсация реактивной мощности с помощью Статком

Compensation of reactive power with the help of Statkom

Aleksey Milyutin

master student, Omsk State University, Russia, Omsk

Evgeny Temnikov

master student, Omsk State University, Russia, Omsk

Pavel Gotfried

bachelor, Omsk State University, Russia, Omsk

Аннотация. В статье рассмотрено определение реактивной мощности, приведены данные об источниках реактивной мощности, проанализировано негативное влияние реактивной мощности на элементы систем электроснабжения. Далее были рассмотрены основные способы компенсации реактивной мощности, в частности, устройства СТАТКОМ. Затем был рассмотрен режим компенсации реактивной мощности в сети с помощью СТАТКОМ. Исследования проводились методом математического моделирования на ЭВМ в программе визуального программирования Simulink математического пакета Matlab.

Abstract. The article considers the definition of reactive power, provides data on reactive power sources, analyzes the negative effect of reactive power on the elements of power supply systems.  Next, the main methods of reactive power compensation, in particular, the STATCOM device, were considered.  Then, the reactive power compensation mode in the network was examined using STATCOM.  The studies were carried out by mathematical modeling on a computer in the program of visual programming of Simulink mathematical package Matlab.

Ключевые слова: реактивная мощность; компенсация; СТАТКОМ; источники реактивной мощности; электроэнергетика.

Keywords: reactive power; compensation; STATCOM; reactive power sources; electric power.

Всем известно, что только два вида электрической энергии вырабатывается генератором переменного тока — это активная и реактивная. Активная энергия нужна для правильной работы таких потребителей, как лампы, электронагреватели, электрические машины и др.

Физически реактивная мощность определяет скорость преобразо­вания электрической энергии в энергию магнитного поля и обратно, т. е. скорость обмена энергией между генератором и магнитным полем приемника электроэнергии. Реактивная мощность измеряется в вольт‑амперах реактивных (Вар) [3].

Реактивная энергия никак не относится к выполнению полезной работы, однако её наличие нужно для возникновения электромагнит­ного поля, которое просто требуется для правильного функционирования трансформаторов и электродвигателей (ЭД).

Присутствие реактивной мощности носит негативный характер на правильную работоспособность электрической сети (ЭС). Как результат этого присутствия:

· появляются дополнительные потери в результате возрастания тока;

· негативная тенденция увеличения тока ЭС, с параллельным уменьшением cosφ сказывается на потери напряжения, а именно увеличение потерь напряжения во всех частях энергосистемы, что является фактором падения напряжения у потребителей;

· на промышленных производствах фактор падения напряжения отрицательно сказывается на нормальной эксплуатации электроприем­ников.

Уменьшается частота вращения электродвигателей, что соответственно влияет на производительность электрических машин, падает производительность электронагревателей, ухудшается световой поток ламп, и все это приводит к тому, что снижается качество продукции;

· в питающей сети возникают проблемы с пропускной способностью (падение пропускной способности);

· происходит отклонение напряжение сети от номинального значения;

· возникает дополнительная нагрузка на линии электропередач (ЛЭП), что требует увеличение сечения проводов и кабелей, а значит и увеличение капитальных затрат на ЭС [6, 9].

Решение проблемы

Использование метода компенсации реактивной мощности на данный момент является одним из самых оптимальных способов снижения используемой из сети реактивной мощности. Реализация этого метода происходит с помощью использования конденсаторных установок.

Компенсация реактивной мощности – это комплекс мероприятий направленных на установление баланса реактивной мощности в электроэнергетической системе для дальнейшей возможности измене­ния напряжения, а в распределительных для возможности сокращения потерь электроэнергии. Для компенсации реактивной мощности применяют компенсирующие устройства разной модификации [10].

Грамотная компенсация реактивной мощности дает возможность:

· уменьшить расходы на потребляемую электроэнергию;

· снизить нагрузку на распределительную сеть (питающие линий, распределительные устройства и трансформаторы), тем самым увеличивая их срок эксплуатации;

· сократить тепловые потери тока;

· уменьшить влияние высших гармоник;

· подавить помехи сети, снизить не симметрию фаз;

· сокращение экономических затрат на построение, обслуживание и эксплуатацию ЭС;

· повышение надежности ЭС.

Кроме того, в ЭС действующих на данный момент компенсация позволяет:

· разгрузить сеть от выработанной реактивной энергии во время минимальной нагрузки;

· нести меньшие затраты на ремонт и обновление электрообо­рудования;

· увеличить пропускную способность системы электроснабжения потребителя, что дает возможность подключить дополнительные нагрузки без экономических затрат;

· обеспечить возможность приема информации в реальном времени о состоянии и параметрах ЭС, а в возводимых сетях компенсация реактивной мощности позволяет сократить мощность устанавливаемых подстанций и использовать кабельные линии с более меньшим сечением, чем при отсутствии компенсации реактивной мощности [5, 2].

Для компенсации реактивной мощности применяются различные типы устройств, одним из самых эффективных является СТАТКОМ.

Статический компенсатор реактивной мощности (СТАТКОМ) это управляющее статическое устройство, емкостной или индуктивный ток которого может изменяться вне зависимости от напряжения ЭС, и с помощью которого можно регулировать напряжение, увеличивать пропускную способность линии, улучшить качество электроэнергии и повысить эффективность систем ее передачи и распределения за счет компенсации реактивной мощности.

СТАТКОМ выполняется на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором – InsulatedGateBipolarTransistor (IGBT) и запираемые тиристоры IGCT (IntegratedGateCommutatedThyristor), GTO (Fateon-offThyristor), GCT (GateCommutatedThyristor). При этом вентили на основе IGBT отличаются наиболее низкими потерями на переключение, это позволяет использовать их на высоких частотах и допускает использование алгоритмов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Принцип работы устройства СТАТКОМ похож на работу устройств БП: напряжение, поступающее от источника постоянного тока, преоб­разуется в синусоидальное с промышленной частотой тока (50 Гц) при использованием ШИМ [1].

Устройства СТАТКОМ имеют множество различных вариаций. На рисунке 1 рассмотрена упрощенная схема СТАТКОМ с преобразо­вателем напряжения.

Рисунок 1. Схема СТАТКОМ с преобразователем напряжения

Рассмотрим основные элементы, из которых состоит СТАТКОМ:

1. Статический преобразователь. Данное устройство может работать в нескольких режимах, оно способно и потреблять и генерировать реактивную и активную мощности. Такие устройства обычно эксплуатируются в крытых помещениях;

2. Трансформатор, с помощью которого происходит подклю­чение устройств СТАТКОМ к системе электроснабжения с высоким напряжением;

3. Участок постоянного тока, служащий для стабилизации напряжения и тока;

4. Фильтр, с помощью которого обеспечивается синусоидальная форма кривых фазных токов (напряжений) [8].

Используя устройства СТАТКОМ можно добиться изменения напряжения по модулю и по фазе. Значение активной и реактивной мощностей можно изменять независимо друг от друга. Это говорит о том, что устройства СТАТКОМ могут эксплуатироваться в четырех квадрантах.

Проведём анализ работы системы электроснабжения при наличие устройства компенсации РМ и при его отсутствии.

Одним из самых эффективных методов исследования процессов, которые происходят в СЭС, является метод имитационного моделиро­вания. Рассмотрим имитационную модель линии со сосредоточенными параметрами, через которую протекает нагрузка, изменяющая своё значение каждые 3 секунды. Имитационная модель выполнена с помощью пакета расширения визуального моделирования Simulink, который входит в состав программы Matlab (рисунок 2) [3, 6].

Рисунок 2. Имитационная модель компенсации реактивной мощности с помощью СТАТКОМ

Блок Three-PhaseSource имитирует источник электрической энергии, Three-PhasePiSectionLine – линия с распределенными параметрами, выключатель QF1 необходим для включения и отключения СТАТКОМ, выключатели QF2–QF7 используются для включения разных значений нагрузки через каждые 3 секунды.

На рисунке 3 представлена осциллограмма линейного напряжения на конце линии без устройства СТАТКОМ

Рисунок 3. Осциллограмма линейного напряжения на конце линии без устройства СТАТКОМ

На рисунке 4 показана осциллограмма линейного напряжения на конце линии с устройством СТАТКОМ

Рисунок 4. Осциллограмма линейного напряжения на конце линии с устройством СТАТКОМ

Анализируя полученные осциллограммы можно увидеть, что при компенсации реактивной мощности с помощью СТАТКОМ при одинаковой нагрузке напряжение в конце линии заметно уменьшилось.

Заключение

Компенсация РМ с помощью устройств СТАТКОМ позволяет снизить величину напряжения в линиях электропередач. Это приводит к уменьшению потерь электрической энергии и способствует увеличению пропускной способности линий. Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что благодаря компенсации РМ возможно добиться ощутимой выгоды, а также увеличить срок службы электрооборудования.